計算機操作系統(tǒng)教程 課件第1章-操作系統(tǒng)概述

計算機操作系統(tǒng)ComputerOperatingSystems

機械工業(yè)出版社教學安排學習基礎具有一定編程基礎（C/C++）基本掌握計算機組成原理第一章操作系統(tǒng)導論計算機的基本工作原理操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的類型操作系統(tǒng)的組成1.1

計算機的基本工作原理思考兩個問題怎樣能夠實現(xiàn)自動計算？能否模擬人腦實現(xiàn)算術計算、邏輯運算及信息存儲？1.1

計算機的基本工作原理計算機的組成架構CPU中央處理器：CentralProcessingUnit計算機的大腦功能：執(zhí)行指令1.1

計算機的基本工作原理機器指令機器指令是計算機運行的最小的功能單元，是指揮計算機硬件運行的命令算術運算指令、邏輯運算指令、移位操作指令、數(shù)據(jù)傳送指令、輸入輸出指令、轉移指令等1.1

計算機的基本工作原理控制單元（ControlUnit）能夠正確并且自動地連續(xù)執(zhí)行指令能正確并分步完成每一條指令的功能

讀取指令→分析指令→控制執(zhí)行響應并處理中斷1.1

計算機的基本工作原理1取指令。CPU的控制器從主存儲器中取出一條指令并放入指令

寄存器（IR）。程序計數(shù)器（PC）用于指示當前指令在主存中

的位置。當一條指令被取出后，PC的內容會根據(jù)指令的長度自

動遞增，以便指向下一條指令。2分析指令?？刂破魅〕鲋噶詈螅嬎銠C進入指令譯碼階段。控

制單元（CU）對指令進行譯碼，確定指令的類型和所需操作

數(shù)的位置等信息。3執(zhí)行指令。譯碼完成后，CPU進入執(zhí)行指令階段。算術邏輯單

元（ALU）根據(jù)控制單元的指令執(zhí)行相應的算術或邏輯運算。

如果指令需要訪問存儲器，CPU將進行訪存操作，以獲取或存

儲數(shù)據(jù)。1.1

計算機的基本工作原理機器指令的執(zhí)行執(zhí)行單元（ExecutionUnit）CPU的“計算器”分為不同的功能部件，包括算術邏輯單元（ALU，+-*/）、移位器、乘法器、除法器、分支單元等來自控制單元的信號選擇不同的功能部件1.1

計算機的基本工作原理計算機體系結構1.1

計算機的基本工作原理1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

為什么在計算機中要引入操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史Phase1：1946－50年代硬件非常昂貴，沒有操作系統(tǒng)

手工操作編程語言：機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；用戶在控制臺前調試程序，獨占全機。用戶既是程序員，又是操作員，手工操作；一次完成一個功能（計算，I/O，用戶思考/反應），之間沒有重疊。問題：手工操作的低效率造成CPU資源的浪費。程序員把作業(yè)（卡片或磁帶）提交給負責調度

的操作員（系統(tǒng)管理員）；操作員把作業(yè)“成批”地輸入到計算機；常駐內存的批處理管理程序自動地識別、裝入

一個作業(yè)，并運行之，然后再取下一個作業(yè)。串行地執(zhí)行作業(yè)，因而稱為是“單道批處理”。硬件昂貴，人力便宜Phase250年代末－60年代中：批處理管理程序為了提高計算機的使用效率，減少手工操作！1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史程序的調試比較困難；由于慢速的輸入輸出處理仍然直接由

主機來完成，使得CPU和I/O設備使用

忙閑不均：對計算為主的作業(yè)，外設

空閑；對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑。單道批處理的問題：1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史通道：用于控制I/O設備與內存間的數(shù)據(jù)傳輸，

有專用的I/O處理器，啟動后可獨立于CPU運行，

實現(xiàn)CPU與I/O的并行工作。中斷：指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來

工作，轉去處理該中斷事件，在完成后回到原來

斷點繼續(xù)工作。60年代初，發(fā)展了通道技術和中斷技術，這些技術的出現(xiàn)使得I/O訪問與CPU計算可以重疊進行。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史60年代中－70年代中：多道批處理系統(tǒng)(現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)）特征：多道：內存中同時存放多個作業(yè)，由CPU以切換方式為之服務。在當前運行的作業(yè)需作I/O處理時，CPU轉而執(zhí)行另一個作業(yè)；宏觀上并行運行：都處于運行狀態(tài)，但都未運行完；微觀上串行運行：各作業(yè)交替使用CPU和I/O設備1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史CPUI/O單道批處理：多道批處理：CPUI/O作業(yè)甲（紅黃）作業(yè)乙（藍綠）CPUI/Ot0t1t2t3t4t5t6t7t8需要解決的問題：內存管理，系統(tǒng)必須給多個作業(yè)分配內存；內存保護，避免一個程序中的bug造成整個

系統(tǒng)崩潰，或者是破壞了其他程序的執(zhí)行；CPU調度，系統(tǒng)必須在多個作業(yè)中不斷地

進行切換，選擇其中的一個去使用CPU；系統(tǒng)必須去管理各個并行運行的作業(yè)之間的

交互關系。如何構造一個多道批處理系統(tǒng)？多道批處理系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史計算機比較貴，只有一臺；終端比較便宜，人手一臺；所有用戶可與系統(tǒng)立即交互，調試比較方便；硬件較以前便宜，人力昂貴Phase370年代中－至今：分時系統(tǒng)

（時間片-輪轉）多個用戶通過各自的終端分享地使用同一臺計算機。交互式分時：1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史一些分時操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史UNIX：1969年，貝爾實驗室的KenThompson在

MULTICS上編寫了一個叫“太空旅行”

(SpaceTravel)的游戲，模擬一個飛行員駕駛

一艘宇宙飛船在太陽系當中遨游，并且可以在

各種星體上著陸。后來他們對MULTICS的訪問

被關閉了，因此Thompson在貝爾實驗室找了

一臺無人使用的PDP-7計算機，然后和Dennis

Ritchie在一臺GE-635計算機上，利用其GECOS

所提供的一個交叉匯編器，把空間旅行游戲用

PDP-7匯編語言重新編寫，然后用穿孔紙帶把它

轉移到PDP-7上；后來，Thompson和Ritchie等人開始為PDP-7編寫一個新的操作系統(tǒng)。在寫好了文件系統(tǒng)和一組基本的軟件工具以后，他們編寫了一個PDP-7的匯編器，這樣他們就能夠直接在PDP-7上編程了。到了1970年，操作系統(tǒng)的基本元素都已經(jīng)完成了，他們給系統(tǒng)起了一個名字UNIX(UNICS:UNiplexedInformationandComputingService);1970年夏，研究小組得到了一臺新機器PDP-11，因此把Unix系統(tǒng)從PDP-7移植到PDP-11，這項工作非常繁瑣，因為整個系統(tǒng)都是用匯編語言來編寫的。研究小組開始考慮用高級語言來重寫整個系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可移植性和可懂性；于是Thompson發(fā)明了B語言，但這種語言過于簡單，數(shù)據(jù)無類型。1972年，Ritchie發(fā)明了著名的C語言，因此兩人把整個系統(tǒng)用C語言重寫了。由于兩人的杰出工作，1984年他們獲得了ACM圖靈獎。

Unix是用高級語言編寫的，能夠在不同的硬件

平臺之間移植，是一種能夠在筆記本電腦、PC

機、工作站甚至是巨型機上運行的操作系統(tǒng)；

Unix是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表，Unix運行時的安全

性、可靠性以及強大的計算能力贏得了廣大用戶

的信賴，已經(jīng)成為一種不斷發(fā)展的、商業(yè)化的操

作系統(tǒng)；

Unix獲得了廣泛的發(fā)展：Berkeley大學的BSD系

統(tǒng)(BerkeleySoftwareDistribution)、Tanenbaum

的MINIX系統(tǒng)、LinusTorvalds的Linux系統(tǒng)、

IBM的AIX系統(tǒng)、Sun的Solaris系統(tǒng)等等。Linux1970,BellLab,K.Thompson和DennisRitchie,UNIX.早期版本(<Version6)，在AT&T許可下，源碼公開；后期版本(>=Version7)，商業(yè)系統(tǒng)；AndrewS.Tanenbaum,1987,MINIX,教學，源碼完全公開；1991,LinusTorvalds,Linux，當今最重要的開源軟件之一。計算機非常便宜，可以人手一臺，AppleII、

IBMPC等；1974年Intel推出8080芯片，請GaryKildall設計了CP/M操作系統(tǒng)——第一個個人計算機操作系統(tǒng)。Gary由此成立DigitalResearch公司；1980年，IBM需要為他們的PC機安裝操作系統(tǒng)，但Gary居然未予重視，機遇落在了微軟身上，微軟收購了西雅圖計算機產(chǎn)品公司DOS操作系統(tǒng)，創(chuàng)建了MS-DOS；商業(yè)應用推動了軟件工業(yè)：字處理器、制表

軟件、數(shù)據(jù)庫。市場劃分為三層：硬件、操作

系統(tǒng)和應用軟件。硬件很便宜，人力依然昂貴Phase4規(guī)模龐大：數(shù)以千萬行的代碼，WindowsXP約

3500萬行，Windows7約5千萬行；極為復雜：功能繁雜、相互關聯(lián)；用戶行為難以

預測；性能非常重要；必須運行在各種硬件平臺

上，必須兼容以前的軟件；互聯(lián)時代：網(wǎng)絡連接你我他，信息共享，基于

網(wǎng)絡的應用（WWW、Email、新聞組）。今天的操作系統(tǒng)Phase51.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史在硬件和應用軟件之間，引入一層軟件，其功能為：管理系統(tǒng)的各個部件，使之能正常運轉；給上層的應用軟件提供一個易于理解和編程的接口；這層軟件就是操作系統(tǒng)（OperatingSystem）。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的定義

控制和管理計算機軟硬件資源、合理地組織計算機工作流程，方便用戶使用計算機的系統(tǒng)軟件。1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)（1）操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件，而且是裸機之上的第一層軟件。（2）操作系統(tǒng)的基本職能是控制和管理系統(tǒng)內的各種資源。計算機系統(tǒng)的基本資源包括硬件（如處理機、內存、各種設備等）、軟件（系統(tǒng)軟件和應用軟件）和數(shù)據(jù)。（3）合理地、有效地組織多道程序的運行。（4）設置操作系統(tǒng)的另一個目的是擴充機器功能，以方便用戶使用。1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是硬件系統(tǒng)功能的首次擴充。它在計算機系統(tǒng)占據(jù)了非常重要的地位，人們常把計算機的操作系統(tǒng)稱為“人機接口”。計算機操作系統(tǒng)實例：x86系列處理器x86系列處理器支持4個處理器特權級別（特權環(huán)：R0、R1、R2和R3）從R0到R3特權能力依次降低R0相當于雙狀態(tài)系統(tǒng)的內核態(tài)R3相當于用戶態(tài)R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運行的指令集合具有包含關系：各個級別有保護性檢查（地址校驗、I/O限制）特權級別之間的轉換方式不盡相同四個級別運行不同類別的程序：R0-運行操作系統(tǒng)核心代碼R1-運行關鍵設備驅動程序和I/O處理例程R2-運行其它受保護共享代碼，如語言系統(tǒng)運行環(huán)境R3-運行各種用戶程序現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù)UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個特權級別有些指令只有操作系統(tǒng)才有權使用，例如：對某些硬件資源的直接訪問指令，如對

I/O設備的直接訪問指令，如磁盤、打印

機等；對內存管理狀態(tài)進行操作的指令，如內存

地址映射、刷新TLB等；某些特殊的狀態(tài)位的設置指令；

停機指令。一、受保護的指令（特權指令）如何從硬件上實現(xiàn)OS的這個要求？處理器的狀態(tài)根據(jù)運行程序對資源和機器指令的使用權限，

把處理器設置為不同狀態(tài)。多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)。管態(tài)：操作系統(tǒng)的管理程序運行時的狀態(tài)，較高的

特權級別，又稱為特權態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、內核態(tài)處理器處于管態(tài)時：可以執(zhí)行所有的指令（包括特權

指令）、使用所有的資源，并具有改變處理器狀態(tài)的

能力。目態(tài)：用戶程序運行時的狀態(tài)，較低的特權級別，

又稱為普通態(tài)（普態(tài)）、用戶態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權指令，不能直接使用系統(tǒng)

資源與改變CPU狀態(tài)，并且只能訪問用戶程序所在

的存儲空間。有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài)，管理狀態(tài)和

用戶程序狀態(tài)（目標狀態(tài)）三種。用戶程序無法直接修改程序狀態(tài)字；管態(tài)→目態(tài)通過設置PSW(修改程序狀態(tài)字)來實現(xiàn)；目態(tài)→管態(tài)管態(tài)（內核態(tài)）目態(tài)（用戶態(tài)）系統(tǒng)調用(匯編指令)中斷處理程序系統(tǒng)服務程序用戶程序OS內核陷入到

內核態(tài)恢復到

用戶態(tài)程序狀態(tài)字PSW一個專門的寄存器，用來指示處理器的狀態(tài)，PSW

(ProgramStatusWord)，通常包括：

CPU的工作狀態(tài)碼——指明內核態(tài)還是用戶態(tài)，

說明當前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用

戶，從而決定其是否可以使用特權指令或擁有其

它的特殊權力；條件碼——反映指令執(zhí)行后的結果特征；中斷屏蔽碼——指出是否允許中斷中斷對于操作系統(tǒng)的重要性就像機器中的驅動齒輪一樣

有人把操作系統(tǒng)稱為是由“中斷驅動”或者“（中斷）事件驅動”中斷機制什么是中斷（interrupt）?指的是由于某個事件的發(fā)生，改變了正在CPU上

執(zhí)行的指令的順序；這種事件對應于CPU芯片內部或外部的硬件電路

所生成的電信號。中斷處理的過程：當中斷事件發(fā)生時，CPU暫停正在執(zhí)行的程序，

保留現(xiàn)場后自動轉去執(zhí)行相應事件的處理程序，

待處理完成后返回斷點，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。中斷的類型按照Intel公司的文檔，中斷可以分為兩大類，即同步中斷和異步中斷。同步中斷：指當CPU正在執(zhí)行指令的時候，由CPU的控制單元所發(fā)出的中斷，也稱為“異?！保籆PU檢測到的異常，包括：錯誤Fault、

陷阱Trap和中止Abort，例如：算術溢出、被零除、用戶態(tài)下使用了特權指令等；程序設定的異常，即程序員通過int、int3等指令來發(fā)出的中斷請求，也稱為軟中斷，主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)調用服務。異步中斷：指由其他的硬件設備在任意的時刻所發(fā)出的中斷，簡稱為“中斷”；可屏蔽中斷，即I/O中斷，它是當外部設備或通道操作正常結束或發(fā)生錯誤時所發(fā)生的中斷。例如：打印機打印完成、缺紙，讀磁盤時驅動器中沒有磁盤等；不可屏蔽中斷，例如：由掉電、存儲器校驗錯等硬件故障引起的硬件中斷；每一個中斷或異常都用一個0－255之間的整數(shù)來標識，稱為中斷向量，系統(tǒng)根據(jù)中斷向量，來為每一個中斷或異常指定相應的處理程序。1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)與其他軟硬件的關系系統(tǒng)軟件應用軟件計算機硬件1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)與其他軟硬件的關系1.3操作系統(tǒng)的概念人與操作系統(tǒng)的接口命令接口圖形接口系統(tǒng)調用1.3操作系統(tǒng)的概念命令接口1.3操作系統(tǒng)的概念圖形接口1.3操作系統(tǒng)的概念系統(tǒng)調用用戶程序通過特殊的訪管指令，來請求操作系統(tǒng)

為其提供某種功能的服務。系統(tǒng)調用指令的實現(xiàn)

過程一般是：當CPU執(zhí)行訪管指令時，即引起訪管中斷；處理器保存中斷點的程序執(zhí)行上下文環(huán)境（PSW,

PC和其他的一些寄存器），CPU切換到內核態(tài)。中斷處理程序開始工作，調用相應的系統(tǒng)服務；中斷處理結束后，恢復被中斷程序的上下文環(huán)境，

CPU恢復為用戶態(tài)，回到中斷點繼續(xù)執(zhí)行。intsys_fork();創(chuàng)建進程intsys_read();讀文件intsys_write();寫文件intsys_open();打開文件intsys_execve();執(zhí)行程序intsys_time();取當前時間intsys_chdir();更改當前目錄intsys_mount();安裝文件系統(tǒng)……Linux0.11版本中的系統(tǒng)調用(72個)數(shù)組sys_call_table[]記錄了每個系統(tǒng)調用函數(shù)的入口地址，系統(tǒng)調用中斷int0x80，eax中是調用號。優(yōu)點保護了系統(tǒng)，更安全缺點跨越了硬件柵欄，開銷更大（無系統(tǒng)函數(shù)的地址、Cache和TLB項更新等），一次系統(tǒng)調用所花費的時間是一次函數(shù)調用的10－1000倍解決方案：把一些系統(tǒng)功能放在用戶態(tài)下運行，如動態(tài)庫（DLL）系統(tǒng)調用VS.函數(shù)調用棧中保存的信息返回地址、調用函數(shù)的寄存器值函數(shù)調用1.3操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的特征并發(fā)共享虛擬異步性1.4

操作系統(tǒng)的類型批處理系統(tǒng)（多道批處理）分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)是指使計算機能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的嚴格時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時設備和實時任務協(xié)調一致地工作的操作系統(tǒng)。主要特征：實時性：對外部請求在嚴格時間范圍內作出反應;

可靠性：要求高度可靠。分兩類：實時過程控制，用于工業(yè)控制、軍事控制；

實時通信處理，用于電信、銀行、飛機定票等領域。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)就是運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中的操作系統(tǒng)（EOS＝OS+ES）。嵌入式系統(tǒng)：MP3播放器、手機、PDA、機頂盒、機器人、自動售貨機、視頻電話、智能防盜系統(tǒng)、國家電力監(jiān)控網(wǎng)，等等；典型例子：VxWorks、嵌入式Linux、uC/OS、WindowsCEPalmOS、Android移動機器人平臺(WinCE)火星探測車(VxWorks)uC/OS嵌入式系統(tǒng)的特點：性能要求高：實時性、可靠性；資源有限：處理器、存儲器、外設、功耗等都是影響設計的重要因素；商業(yè)競爭：低成本；系統(tǒng)功能可針對需求進行裁剪、調整，以便滿足最終產(chǎn)品的設計要求。個人計算機操作系統(tǒng)針對單用戶使用的個人計算機進行優(yōu)化的操作系統(tǒng)，

是一種單用戶多任務的操作系統(tǒng)。主要特征：供個人使用，功能強;

用戶界面友好，使用方便；有豐富的應用軟件：事務處理、學習、娛樂等；要求支持多種硬件和外部設備（多媒體設備、網(wǎng)

絡、遠程通信）。Ma